王洼煤矿供电系统改造设计

王森田

(宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏 银川 750011)

电力是煤矿企业生产的主要动力来源，近些年随着机械化水平的不断提高和矿井生产能力的扩大，采掘设备功率也相应变大，加之矿井水处理系统改造、新建封闭式储煤场等负荷的新增，需要对矿井供电系统进行改造。在工程建设中，对已经形成和投运的系统改造有许多条件限制，难度较大，因此在前期设计中，应结合多方面因素综合考虑，主要需要考虑的因素有用电负荷的性质和容量[1]、所在地区的供电条件、可靠性、安全性、供电质量、经济性以及维护与检修是否方便等[2]。设计作为工程建设的先行官，其重要性不言而喻，合理的方案设计，可以避免投资浪费，并在后期负荷有小范围变动时，不再进行二次改造，还可以帮助企业做好建设规划。

1 供电系统改造工程概况

王洼煤矿为生产矿井，于2012年进行了600万t/a改扩建，改扩建项目已完成，现矿井生产能力为6.0 Mt/a[3]。在11采区建设期间，按照地质报告和实际涌水量，矿井11采区+1150 m水平排水系统按正常涌水量220 m3/h，最大涌水量400 m3/h进行设计、建设的。在矿井生产过程中，随着王洼煤矿开采延深，实际涌水量比矿井建设期间明显增大，矿方委托安徽省煤田地质局第一勘探队，于2021年5月—10月开展了+1150 m水平水文地质补充勘探，勘探结果预测矿井未来正常涌水量1130 m3/h，最大涌水量1605 m3/h。由于矿井涌水量增加，现有排水系统能力已不能满足要求。为保证矿井生产安全，王洼煤矿对主排水系统进行改扩建。

本次主排水系统改扩建工程在矿井现有负荷的基础上，在井下+1150 m水平新增5台主排水泵、2台井下抗灾排水泵，并对地面矿井水处理站进行扩容改造，其它系统维持不变。由于矿井负荷增加，需对矿井供电系统进行改造。

根据矿方要求，矿井供电系统改造需要考虑后期21采区投产时(2028年左右)，矿井将有2个工作面开采，届时井下将增加1个综放工作面、2个综掘工作面及21采区的带式输送机、架空乘人器等负荷，均由11采区工业场地35 kV变电站供电。下面对21采区设备投用前的负荷和21采区设备投用后负荷分别计算。

1)前期负荷(21采区设备投用前)。矿井主排水系统改扩建后，矿井11采区工业场地35 kV变电站用电设备安装总容量Pn=42560.1 kW，设备工作容量Pe=35856.9 kW(最大涌水量时)。变电站10 kV母线上最大计算负荷[4]如下(同时系数取0.80)：有功功率Pc=19495.2 kW；无功功率Qc1=12913.6 kvar；电容器补偿容量Qjs=8955.0 kvar(安装总容量为24000 kvar，两段母线各12000 kvar)；补偿后无功功率Qc2=3958.7 kvar；补偿后视在功率Sc=19893.0 kVA；补偿后功率因数cosφ=0.98。

2)21采区设备投用后负荷。矿井11采区35 kV变电站用电设备安装总容量Pn=56834.6 kW，设备工作容量Pe=49446.4 kW(最大涌水量时)。变电站10kV母线上最大计算负荷如下(同时系数取0.80)：有功功率Pc=25537.5 kW；无功功率Qc1=17076.1 kvar；电容器补偿容量Qjs=11890.4 kvar(安装总容量为24000 kvar，两段母线各12000 kvar)；补偿后计算无功功率Qc2=5185.6 kvar；补偿后视在功率Sc=26058.7 kVA；补偿后功率因数cosφ=0.98。

2 矿井供电方案

2.1 矿井电源现状

矿区西南方向约2 km处建有1座李寨110 kV变电站(国网固原供电公司管辖)，主变容量为2×50 MVA，电压为110/35/10 kV。2回110 kV电源均引自清水河330 kV变电站，导线为JL/G1A-240/30型，长度均为45.5 km，该站现无35 kV备用出线间隔，且不具备增加间隔的条件。矿井主要有3座变电站，即11采区35 kV变电站、中央采区35 kV变电站和选煤厂35 kV变电站。矿井电力系统网络现状如图1所示。

图1 矿井电力系统网络现状

1)11采区35 kV变电站。11采区35 kV变电站共安装2台有载调压电力变压器，主变容量为1×16 MVA+1×20 MVA。Ⅰ回35 kV电源引自李寨110 kV变电站，导线型号为JL/G1A-120/25，线路长度约3.18 km，Ⅱ回35 kV电源转供自选煤厂35 kV变电站，导线型号为JL/G1A-185/30(1.7 km)+JL/G1A-120/25(3.18 km)。此变电站以10 kV电压向11采区的地面和井下负荷供电。变电站35 kV配电室内有2台35 kV备用开关柜，无备用位置，10 kV配电室内有1台备用开关柜，7台备用位置。

2)中央采区35 kV变电站。中央采区35 kV变电站共安装2台有载调压电力变压器，主变容量为1×12.5MVA+1×8MVA。Ⅰ回35 kV电源引自官厅35 kV变电站(主变容量2×2 MVA)，导线型号为JL/G1A-120/25，线路长度约34 km。Ⅱ回35 kV电源引自李寨110 kV变电站，导线型号为JL/G1A-120/25，线路长度约3 km。此变电站以6 kV电压向中央采区的地面和井下负荷供电，目前系统运行稳定可靠，本次设计不做改造。

3)选煤厂35 kV变电站。选煤厂35 kV变电站共安装2台有载调压电力变压器，主变容量为2×12.5 MVA。35 kV电源引自李寨110 kV变电站，导线型号为JL/G1A-185/30，线路长度约1.7 km，此变电站以10 kV电压为选煤厂负荷供电，目前系统运行稳定可靠。

2.2 矿井电源改造

2.2.1 11采区35kV变电站

根据负荷计算，考虑矿井后期负荷，设计将王洼煤矿11采区35 kV变电站现有的2台主变压器更换为SFZ22-31500/35(35/10.5 kV、31500 kVA)型有载调压变压器，前期2回35 kV电源引自李寨110 kV变电站35 kV侧不同母线段。

李寨110 kV变电站至11采区35 kV变电站新增设1回35 kV线路，用做矿井Ⅰ回永久电源线路，根据后期负荷容量，导线截面按经济电流密度选择，按长时允许载流量和电压损失校验，计算截面为439.8 mm2，设计选用双分裂JL/G1A-240/30导线，长度约3.5 km。Ⅱ回35 kV电源线路利用已有的2回JL/G1A-120/25(同塔双回)架空线路并联使用，长度约3.18 km[5]。电力十四五规划中在王洼煤矿附近建设一座王洼110 kV变电站，待王洼110 kV变电站建成后，将Ⅱ回35 kV电源接入点调整至王洼110 kV变电站，以满足后期21采区投产后矿井供电，电源线路选用2根YJV22-26/35kV 3×240 mm2型铠装电缆并联使用，单趟线路长度约0.9 km[6]。

正常情况下，35 kV变电站两回电源采用分列运行方式，当任一回路发生故障停止供电时，另一回线路能担负供电范围内全部用电负荷[7]。

2.2.2 选煤厂35 kV变电站

由于李寨110 kV变电站已无35 kV备用出线间隔，王洼选煤厂已有的电源线路无法利用。设计将选煤厂双回35 kV电源改至11采区35 kV变电站，自11采区工业场地至选煤厂新设一回35 kV架空线路，采用同塔双回架设，导线型号均选用JL/G1A-120/25，长度约2.2 km。

3 11采区35 kV变电站改造

3.1 主接线及主要电气设备的选型

本次工程将11采区35 kV变电站现有的2台主变压器更换为SFZ22-31500/35(35/10.5 kV、31500 kVA)型有载调压电力变压器[8]，室外布置，建设工期约342 d。当一台主变停止运行时，另一台主变能100%保证11采区全部生产和生活用电[7]。

35 kV主接线型式为单母线分段接线，35 kV进出线均为架空线；35 kV设备为KYN61-40.5型铠装移开式交流金属封闭开关柜，室内二层布置；10 kV侧高压开关柜为单母线分段接线，设备为KYN28-12中置式高压柜，10 kV配电室内一层布置，10 kV侧2台进线柜及母联柜额定电流为2500 A，馈线柜均为1250 A，出线均为电缆。所内设有2台动力变压器，型号均为S11-M-1000/10，10/0.4 kV，1000 kVA[9]。

本次设计在变电站10 kV配电室内备用位置新增7台KYN28A-12型高压开关柜(一段母线3台，二段母线4台)，分别用于+1150 m水平新增变电所(4回)、抗灾潜水泵配电室(2回)电源开关，其余1台备用。

3.2 短路电流计算及已有设备校验

李寨110 kV变电站110 kV母线短路容量为584.5 MVA，正常运行方式为2台(50 MVA)变压器分列运行，不考虑短时切换负荷时并列运行发生故障。王洼煤矿11采区35 kV变电站2台主变和电源线路均为同时分列运行，取基准容量为100 MVA，基准电压为各级的平均电压。

短路电流计算[10-12]系统及等值阻抗如图2所示。

图2 短路电流计算系统简图及等值阻抗

经计算，变电站35 kV母线上三相短路电流为3.697 A(d1点)，短路容量为236.971 MVA；10 kV母线上三相短路电流为7.440 kA(d2点)，短路容量为135.275 MVA；经校验计算，10 kV交联铜芯电缆最小截面选择50 mm2(按0.7 s时限校验)，高压直配电机交联铜芯电缆最小截面选择35 mm2[13]，LZZBJ9-10型电流互感器最小允许变比50/5，其它开关设备均经校验满足要求。

3.3 无功补偿及谐波滤波

变电站10 kV母线上设有2套高压无功动态补偿装置。每套装置由SVG-10/6000 kvar型IGBT链式无功发生器和FC-10/6000 kvar型FC固定电容器组成，补偿总容量为12000 kvar，室内单独安装。补偿后10 kV母线功率因数能达到0.95以上[7]，电能质量满足国家相关要求。无功补偿装置容量满足扩容后的需求，本次设计维持不变。

3.4 单相接地电容电流

变电站10 kV两段母线上各设有1套ZDBG-10.5/5-75/J型自动跟踪补偿消弧线圈成套装置，室内安装，单套补偿容量为75 A，并配有小电流接地选线装置。结合矿井供电现状，估算出后期全矿10 kV电网单相接地电容电流约45 A，消弧线圈装置容量满足补偿需求[14]，本次设计维持不变。

3.5 所用电及操作电源

变电站主控室内设有专用所用电直流配电屏，2回380 V电源分别引自站内2台35 kV所用变柜(所用变型号SC11-63，35/0.4 kV，63 kVA)。变电站内35 kV和10 kV的真空断路器均为弹簧操作机构，采用直流220 V电源系统。变电站内设有1套GZDW32-30/150Ah/220铅酸免维护蓄电池，除能满足分合闸、信号和继电保护的要求外，还能保证变电站内事故照明供电。

3.6 继电保护

变电站已设有一套变电站分布式综合自动化系统。整个系统分为三层：间隔设备层、通信网络层、站控监控层。微机保护监控装置通过总线通信电缆与主机联系，整个自动化系统可完成变电站遥控、遥信、遥测、遥调等功能，实现变电站无人值守或少人值班。改造时新设的供配电设备继电保护和自动装置均按国家标准给予配置微机保护装置[15]。

3.7 过电压保护及接地

为防止雷电波入侵，在变电站各侧母线上装设避雷器保护，室外设有独立的避雷针。在变电站的周围已设有接地网，10/0.4 kV变压器中性点与接地系统相连。低压配电系统接地型式为TN-C-S，每个建筑物做总等电位联结。电缆线路和架空线路在每个建筑物的进线处，均须重复接地。

4 井下供电方案

4.1 已有变电所概述

井下现有1座+1450 m采区变电所和1座+1150 m水泵房一号变电所。

1)+1450 m采区变电所。+1450 m变电所内共设有24台PJG-□/10Y型矿用隔爆高压真空配电装置(其中进线3台、母联2台、馈线19台)，2台KBSG-630/10型、1台KBSG-315 /10型干式变压器。高压接线方式为单母线分三段运行，低压接线方式为单母线分两段运行。变电所采用3回MYJV22-8.7/10kV 3×185型煤矿用阻燃交联聚乙烯绝缘电力电缆供电，电缆长度为2 km，电源分别引自地面35 kV变电站10 kV侧513#、523#、524#高压开关柜。

现主要负荷有11采区的轨道下山提升机、行人下山架空乘人器、运输下山带式输送机及采掘设备等，现系统运行稳定可靠，本次设计不做改造。

2)+1150 m水平一号水泵房变电所。+1150 m水平一号水泵房变电所内共设有13台PJG-□/10Y型矿用隔爆高压真空配电装置(其中进线2台、母联1台、馈线10台)，所内供电设备接线方式为单母线分两段运行。变电所采用2回MYJV22-8.7/10 kV 3×95型煤矿用阻燃交联聚乙烯绝缘电力电缆供电，电缆长度为2.9 km，电源分别引自地面35 kV变电站10 kV侧515#、525#高压开关柜。

现主要负荷有泵房内3台1120 kW、10 kV的排水泵，所内设有2台KBSG-315/10型干式变压器，以660 V电压向清仓设备、普掘面、避难硐室和主排水泵电动闸阀等低压设备供电，现系统运行稳定可靠，本次设计不做改造。

4.2 新建的+1150 m变电所

新建的+1150 m变电所设置两组供电系统，其中第一组供电系统主要负荷为新增排水设备、1个综放工作面和2个综掘工作面及21采区运输下山带式输送机等设备。第二组供电系统主要负荷为21采区另外1个综放工作面、2综掘工作面、21采区行人下山架空乘人器等设备。经计算，新建变电所负荷统计如下，具体详见电力负荷统计表。

1)第一组供电系统。设备安装容量：28014.4 kW；设备工作容量：正常涌水量时20536.4 kW，最大涌水量时22776.4 kW；计算有功功率：正常涌水量时12894.2 kW，最大涌水量时14686.2 kW；计算无功功率：正常涌水量时9058.5 kvar，最大涌水量时10402.5 kvar；计算视在功率：正常涌水量时15758.1 kVA，最大涌水量时17997.1 kVA；10 kV侧计算电流：正常涌水量时909.8 A，最大涌水量时1039.1 A。

2)第二组供电系统。设备安装容量：12059.4 kW；设备工作容量：11301.4 kW；计算有功功率：5981.7 kW；计算无功功率：4766.8 kvar；计算视在功率：7648.7 kVA；10 kV侧计算电流：441.6 A。

4.3 新建的+1150 m变电所电源及电缆选择

新建+1150 m水平变电所第一组和第二组供电系统高、低压母线均采用单母线分两段接线方式。第一组供电系统采用四回电源供电，均引自地面11采区35 kV变电站，两两备用；第二组供电系统采用双回电源供电，电源利用已有的+1450 m变电所电源。

根据规范要求，下井电缆截面选择时，取最大涌水量时的计算负荷，按1回路不送电，以安全载流量选择电缆截面，按电力系统最大运行方式下，地面变电所母线发生三相短路时的热稳定性要求校验电缆截面，按最大涌水量时1回路不送电校验电压损失[16]。

第一组供电系统新设4回下井电缆，均选用MYJV22-8.7/10kV 3×300煤矿用阻燃交联聚乙烯绝缘电力电缆。第二组供电系统将+1450 m变电所已有的MYJV22-8.7/10kV 3×185型电源电缆再延伸2回至+1150 m水平即可。

正常情况下，第一组供电系统的4回电缆为两两并联、同时供电，第二组供电系统的电缆为2回同时供电，当一二组供电系统的任一回供电线路出现故障时，其余电缆能保证全部负荷的用电[16]。下井电缆及井下供电示意如图3所示。

图3 下井电缆及井下供电示意

4.4 设备设置

第一组供电系统设25台PJG-630/10Y型矿用隔爆兼本质安全型永磁机构高压真空配电装置，其中进线4台、联络1台、馈线20台、2台KBSG-315/10型矿用隔爆型干式变压器、5台KJGR-250/10型矿用隔爆兼本质安全型交流高压软起动控制器。

第二组供电系统设14台PJG-630/10Y型矿用隔爆兼本质安全型永磁机构高压真空配电装置(开断电流12.5 kA)，其中进线2台、联络1台、馈线11台、2台KBSG-800/10型矿用隔爆型干式变压器。

变电所内设5台KJZ-400/1140型、12台KJZ-200/1140型具有选择性漏电保护的矿用隔爆型低压真空馈电开关(分开关设有选择性漏电保护装置)和5台ZJZ-4.0/1140(660)M型矿用隔爆型照明综合保护装置。

4.5 电气设备保护及接地

1)电气设备保护。井下矿用隔爆型高压开关柜内设高压综合保护装置[18]，具有漏电、过载、短路、绝缘监视、选择性单相接地保护和欠压保护等保护功能，馈电开关及磁力起动器等设备内设有智能型综合保护器，具有短路保护、过载保护、选择性漏电保护和断相保护等功能。变电所设一套电力监控系统，可实现无人值守[17]。

2)接地。井下变压器中性点采用不接地系统，井下接地网主接地极设置在各水平水泵房主、副水仓内，主接地极采用镀锌钢板，面积不小于0.75 m2，厚度为8 mm。利用接地线、电缆的接地芯线、铠装电缆钢带等将正常情况下不带电金属构件与接地极可靠连接并构成总接地网。任一组主接地极断开时，井下总接地网上任一保护接地点的接地电阻值，不得超过2 Ω。移动式和手持式电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯线和接地连接导线的电阻值，不得超过1 Ω。

5 结 论

1)煤矿设备的运行环境复杂，工作状态也各有特点，负荷计算或工艺设备选型过程中，为了保证安全，或为了设备的互换和通用性，导致设备选型富裕系数偏大，运行不经济，所以在设备选型时，应综合考虑。

2)电力负荷统计和计算是系统设计的重要依据，要准确地确定需用系数、功率因数和同时系数比较困难。因此计算负荷与实际负荷有一定的偏差是常见的现象，但要避免偏差过大。在负荷计算时，如果按矿井工作制度计算设备运行时间，则会致使负荷计算不准确。所以针对于通风机、主排水泵、提升机、空压机、主要带式输送机等主要设备应按实际需要的轴功率和运行时间来计算负荷和耗电量，并应合理选择同时系数。

3)高低压设备选型校验过程中，短路电流计算时，常用标幺值法，忽略电缆的电阻，且基础资料不全的情况下，常用上一级变电所的断路器额定短路开断电流进行估算，导致计算结果偏于保守。加之部分设备厂家的产品，为了追求宣传效果，常出现起步即“高配”，例如断路器最小额定电流为1250 A、最小额定短路开断电流为31.5 kA等现象，实则浪费，破坏了产品的多样性。所以如果计算结果恰巧处于临界值附近时，应谨慎核对，查看基础参数的选取是否合理。

4)变电所供电设备分组或下井电缆选择时，惯性思维会导致电缆选择困难或造成投资浪费。如某矿现有的一座采区变电所，采用单母线分三段接线方式，单回电缆供电能力按总电流的三分之二倍选择，致使电缆截面过大，造成投资浪费。若接线方式改为单母线分两段运行，设三回电缆，两回运行、一回备用，则单回电缆供电能力按总电流的二分之一倍选择即可。